自攀爬机器人结构设计研究

论文摘要

机器人的出现,拓展了人类的能力范围,缩小了人对自然的距离,极大地推动了人类社会的技术进步。它是计算机科学、控制论、机械学、电子技术等多学科综合性的高科技产物,是典型的机电一体化产品。机器人技术的发展,不但可以部分取代人完成各种恶劣环境下的工作,而且将对人类社会产生深远的影响。自攀爬机器人是机器人的一种,属于极限作业机器人。自攀爬机器人主要用于垂直壁面、球面等攀爬行走,可搭载相应的设备,实现壁面的清洗、探伤、管道敷设、油漆等多种功能,是一种通用的用于垂直壁面、球面等场合的行走机器人。其目的是代替人类,在各工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域中的危险状态下作业。它的研究和开发有着广阔的前景和良好的社会效益,受到人们的重视。世界上很多国家开展了这方面的研究工作,国内外已有不同类型的自攀爬机器人研制成功。自攀爬机器人的研究涉及机器人、人工智能、传感、控制、视觉、环境识别、现代设计方法等诸多知识,是多学科交叉综合的结果。此外,还涉及构成各类机器人自身服务功能的各项专有技术。本文研究目的是设计一种新型、可靠性高、适应范围广且能够自主移动、自主避障的自攀爬机器人。通过对国内外研究现状进行总结和分析,针对自攀爬机器人的工作环境,提出一种新型的三角框架式结构、真空吸附方式、电气混合驱动形式的自攀爬机器人本体结构形式。通过气缸杆的伸缩和电动缸的相对移动,实现自攀爬机器人的自主攀爬和自主避障。通过步进电机驱动蜗杆和蜗轮,使上下框架做相对转动,从而实现机器人任意角度的旋转。本文详细的分析了机器人在理论和实际开发应用中存在的问题,制作了自攀爬机器人样机。该机器人既能够在垂直壁面上爬行,又能适应一定曲率范围的球形壁面,具有越障能力强、负载大、能任意方向旋转等特点。本文理论联系实际,针对所设计的机器人,进行了运动学方面的分析。本文对自攀爬机器人的研究,给自攀爬机器人的新型结构和自主移动提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究意义及目的
• 1.3 自攀爬机器人国内外研究现状和问题
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 自攀爬机器人发展趋势
• 1.3.4 现有自攀爬机器人类型比较分析
• 1.4 课题研究内容及技术要求
• 1.5 本章小结
• 2 自攀爬机器人本体结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 总体系统设计
• 2.3 移动机构设计
• 2.3.1 移动机构总体设计
• 2.3.2 上框架的设计
• 2.3.3 下框架的设计
• 2.3.4 电动缸及伺服电机的选取
• 2.4 转动机构设计
• 2.4.1 转动机构总体设计
• 2.4.2 蜗轮蜗杆设计
• 2.4.3 蜗杆传动的受力分析
• 2.4.4 步进电机的选择
• 2.5 安全装置及设计元件重量
• 2.6 导轨、支座和滑块的选取
• 2.7 本章小结
• 3 自攀爬机器人气动控制系统设计与分析
• 3.1 引言
• 3.2 真空吸附结构设计
• 3.2.1 吸附机构工作原理
• 3.2.2 吸附机构设计
• 3.2.3 真空吸附机构安全性分析
• 3.3 气动逻辑控制分析与设计
• 3.4 气动控制系统设计
• 3.5 真空吸盘的选取
• 3.6 本章小结
• 4 自攀爬机器人运动学理论基础
• 4.1 前言
• 4.2 自攀爬机器人运动学分析
• 4.2.1 笛卡尔坐标系的齐次坐标变换
• 4.2.2 平移变换和旋转变换
• 4.3 本章小结
• 5 自攀爬机器人结构有限元分析和优化
• 5.1 引言
• 5.2 有限元法的基本思想
• 5.2.1 有限元的基本思想
• 5.2.2 有限元法的基本特点
• 5.3 ANSYS 分析的基本过程
• 5.4 上下框架结构校核及ANSYS 仿真分析
• 5.4.1 上框架的结构校核及ANSYS 仿真分析
• 5.4.2 下框架的结构校核及ANSYS 仿真分析
• 5.5 其它零件的ANSYS 仿真分析
• 5.5.1 上框架腿部ANSYS 有限元分析
• 5.5.2 下框架腿部ANSYS 有限元分析
• 5.5.3 吸盘安装板ANSYS 有限元分析
• 5.6 样机装配实物
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录